Aktivierung muskarinischer Rezeptoren moduliert die Effekte von kapazitativem Ca2+-Einstrom auf Erregbarkeit und Energiemetabolismus in zentralen Nervenzellen

Abstract

In den unterschiedlichsten Zell-Typen resultiert die Entleerung von intrazellulären Ca2+-Speichern in kapazitativem Ca2+-Einstrom (CCE). Über die Effekte von CCE auf die Erregbarkeit der neuronalen Zellmembran und mitochondriale Funktionen in zentralen Neuronen ist jedoch nicht viel bekannt. In dieser Arbeit werden die nachgeschalteten zellulären Effekte in Pyramidenzellen von organotypischen hippokampalen Hirnschnitt-Kulturen von Ratten unter Verwendung von Elektrophysiologie und Fluoreszenz Bildgebung untersucht. Es wurden die mitochondriale Ca2+-Konzentration ([Ca2+]m), extrazelluläre Kalium-Konzentration ([K+]o), mitochondriales Membranpotential und intrazellulärer Redox-Zustand (NAD(P)H und FAD Fluoreszenz) in hippokampalen Hirnschnitt-Kulturen gemessen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass CCE mit folgenden nachgeschalteten Effekten assoziiert ist: • Erhöhung der [Ca2+]m in individuellen neuronalen Mitochondrien • hyperpolarisierende neuronale Ionen Ströme • Anstieg der [K+]o • Mitochondriale Membran Depolarisation • Änderungen des intrazellulären Redox-Zustandes (NAD(P)H und FAD Fluoreszenz) die Änderungen des Energie Metabolismus der Zelle abbilden Diese zusätzlichen nachgeschalteten zellulären Effekte von CCE erforderten begleitende muskarinische Rezeptor-Aktivierung durch Carbachol oder Acetylcholin. Sie wurden durch Auswaschung des Agonisten oder Applikation des Antagonisten Atropin unterdrückt. Daraus wird geschlossen, dass muskarinische Rezeptoraktivierung die nachgeschalteten zellulären Effekte von CCE auf Erregbarkeit der neuronalen Zellmembran und Energie Metabolismus determiniert. Die Ergebnisse erweitern das aktuelle Konzept von CCE in zentralen Neuronen, insbesondere in Bezug auf Erregbarkeit der neuronale Zellmembran, mitochondriale Ca2+-Signalgebung und Energie Metabolismus. In dieser Arbeit wird ein Mechanismus beschrieben, der signifikant zur Informations- Verarbeitung und begleitender neurometabolischer Kopplung im Hippokampus beitragen könnte. Dieser Mechanismus kann aufgrund der Exprimierung von muskarinischen Rezeptoren in weiteren Regionen des ZNS existieren.

In excitable and non-excitable cells, depletion of intracellular Ca2+-stores results in capacitative Ca2+-entry (CCE) across the cellular membrane. However, the effects of CCE on membrane excitability and mitochondrial functions in central neurons are not well defined. We investigated such cellular downstream effects in pyramidal neurons of rat organotypic hippocampal slice cultures by applying electrophysiological and fluorescence imaging techniques. We report that (1) in pyramidal neurons, in the presence of metabotropic agonist carbachol, CCE results in transient hyperpolarizing membrane currents as well as elevations of Ca2+-concentration in individual mitochondria ([Ca2+]m). (2) In the presence of carbachol (or acetylcholine) CCE elicits substantial mitochondrial membrane depolarisation, changes in intracellular redox state (NAD(P)H and FAD fluorescence) and a transient increase in extracellular K+-concentration ([K+]o). (3) The latter effects are suppressed by agonist washout or application of muscarinic receptor antagonist, atropine. (4) In the absence of carbachol, CCE shows similar properties while eliciting only with weak changes in mitochondrial membrane potential, redox state and [K+]o. We conclude that the effects of CCE on excitability and mitochondrial functions in pyramidal neurons depend on concomitant muscarinic receptor activation. This mechanism might have significant impact on neuronal information processing and regulation of energy metabolism in central neurons.